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寶鋼交流變頻器應(yīng)用概述


   引言

    1 變頻器在寶鋼的應(yīng)用歷程

    (1)寶鋼在一期建設(shè)(1985年9月以前):寶鋼設(shè)備的電氣傳動(dòng)大多是采用直流電機(jī)調(diào)速裝置。特別是主軋線全部采用大容量直流電機(jī)傳動(dòng)。

    (2)二期建設(shè)(1985年9月~1991年10月):設(shè)備的電氣傳動(dòng)少量采用交流變頻調(diào)速技術(shù),且為模擬量控制。例如2050熱軋R3機(jī)架采用同步電機(jī),變頻器為模擬量控制。

    (3) 三期及以后的建設(shè)中(1993年以后至今):大量采用交流變頻調(diào)速技術(shù),且為全數(shù)字化控制。

    隨著電子技術(shù)和交流變頻調(diào)速技術(shù)的迅猛發(fā)展,原直流電機(jī)存在的換向和換向器、電刷等部件維護(hù)工作量較大等問(wèn)題,使其在提高單機(jī)大容量、過(guò)載能力和降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及簡(jiǎn)化維護(hù)等方面受到了限制,不能滿足軋鋼機(jī)向大型化、高速化方面的發(fā)展,新建的熱軋,冷軋,煉鋼,連鑄,高爐等幾乎100%采用全交流化傳動(dòng)。

    2 變頻器在自動(dòng)化系統(tǒng)中的作用

    從自動(dòng)化角度看,過(guò)程控制系統(tǒng)分為:

    設(shè)備級(jí)(簡(jiǎn)稱L0)
    基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)(簡(jiǎn)稱L1);
    過(guò)程控制級(jí)(簡(jiǎn)稱L2);
    上級(jí)管理計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱L3)。

    過(guò)程控制級(jí)(簡(jiǎn)稱L2),其主要功能是根據(jù)接收上級(jí)管理計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱L3)下傳的生產(chǎn)計(jì)劃及工藝要求進(jìn)行模型計(jì)算和優(yōu)化設(shè)定計(jì)算;基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)(簡(jiǎn)稱L1)其主要功能是實(shí)施優(yōu)化控制和順序控制及對(duì)生產(chǎn)實(shí)績(jī)進(jìn)行收集;設(shè)備級(jí)(簡(jiǎn)稱L0)按下傳的指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行直接控制,完成按工藝要求對(duì)材料的加工。由于交流變頻器(L0)的全數(shù)字化,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接,強(qiáng)化了L0與L1的信息集成,便于調(diào)試和維護(hù),因而L0(馬達(dá)控制)已成為自動(dòng)化控制系統(tǒng)中重要組成部分。

    3 變頻器在寶鋼的應(yīng)用

    交流變頻器在寶鋼具有大量而廣泛的應(yīng)用,變頻器的供電裝置、變頻器及馬達(dá)三者已成為寶鋼生產(chǎn)廠設(shè)備的心臟,其應(yīng)用包括熱軋粗軋機(jī)、精軋機(jī)、飛剪、卷取機(jī)、平整機(jī)、立輥、活套及輔助生產(chǎn)線;冷軋包括冷連軋;各種處理線及輔助生產(chǎn)線;煉鋼包括傾動(dòng),氧副槍等;連鑄包括大包旋轉(zhuǎn)、結(jié)晶器調(diào)寬、引錠桿,還有高速線材,鋼管,寬厚板等生產(chǎn)線都大量采用變頻調(diào)速技術(shù)。寶鋼主生產(chǎn)線上的變頻裝置隨主合同一起引進(jìn),由于主線上變頻裝置屬于高電壓、大電流、大容量變頻裝置,技術(shù)復(fù)雜性高,設(shè)備龐大,在選擇方案時(shí)要十分慎重,主要采用三菱/東芝(TMEIC)、西門子、ABB、安川、富士、施耐德、羅克韋爾等世界著名電氣廠商的產(chǎn)品。 

    馬達(dá)控制方式及軋機(jī)對(duì)變頻器的要求

    1 馬達(dá)控制方式

    馬達(dá)是根據(jù)變頻器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的,變頻器的控制方式大致可分為三類:速度控制、電流控制和電壓控制。

    (1) 速度控制(簡(jiǎn)稱ASR)

     圖1 馬達(dá)控制方式

     速度控制框圖如圖1(a)所示,適用于速度控制精度要求高的場(chǎng)合。

     圖1(a)中:

     Ref:從PLC向變頻器傳遞的速度指令(Reference);

     Fbk:馬達(dá)的直接速度檢測(cè)器(PLG)信號(hào)向變頻器反饋(Feedback)。

    (2) 電流控制(簡(jiǎn)稱ACR)

    電流控制如圖1(b)所示。一般用于要求電流恒定的負(fù)載。如活套張力控制,卷取機(jī)咬鋼時(shí)帶鋼的控制。

    圖1(b)中:

    C.Ref.:從PLC向變頻器傳輸?shù)碾娏髦噶睿?BR>
    SLC-Ref.:從PLC向變頻器傳輸?shù)乃俣葮O限值;

    SLC-Fbk:馬達(dá)將速度檢測(cè)(PLG)的信號(hào)向變頻器反饋;

    SLC:速度極限控制。

    (3) 電壓控制(簡(jiǎn)稱AVR)

    電壓控制如圖1(c)所示,即變頻器輸出電壓/頻率的協(xié)調(diào)控制=V/F控制,一般用于對(duì)速度控制精度要求不高的場(chǎng)合。

    圖1(c)中:

    Ref.:從PLC向變頻器傳輸?shù)念l率指令(Reference)。

    2 軋機(jī)對(duì)變頻器的要求

    變頻器是將工頻交流電源變成對(duì)馬達(dá)可控的變頻交流電源,向馬達(dá)供電,實(shí)現(xiàn)馬達(dá)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,寶鋼生產(chǎn)對(duì)變頻器的總要求如圖2所示。具體來(lái)說(shuō),應(yīng)滿足:

  圖2  對(duì)變頻器的要求 

    (1) 適應(yīng)電網(wǎng)要求,變頻器注入電網(wǎng)的電流諧波和功率因數(shù)要滿足電網(wǎng)要求;
    (2) 滿足工藝要求(馬達(dá)),即滿足軋鋼工藝對(duì)軋制功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍;
    (3) 滿足傳動(dòng)系統(tǒng)指標(biāo)要求;
    (4) 滿足信息化要求,即滿足與自動(dòng)化系統(tǒng)硬軟件接口的要求;
    (5) 經(jīng)濟(jì)性。

    3 軋機(jī)工藝對(duì)電氣傳動(dòng)控制性的要求

     軋機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)控制性的要求如下:

    (1)中厚板熱連軋機(jī):粗軋機(jī)屬于低速,大容量可逆軋機(jī),要求大轉(zhuǎn)矩大過(guò)載能力,電機(jī)功率5~12MW,轉(zhuǎn)速在50r/min左右,過(guò)載2.5倍以上,但對(duì)速度精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高;

    (2)熱連軋機(jī):精軋機(jī)傳動(dòng)功率大,電機(jī)功率5~10MW,但轉(zhuǎn)速不高于600r/min,電機(jī)單方向連續(xù)運(yùn)行,過(guò)載1.5倍,要求傳動(dòng)系統(tǒng)具有0.1%的速度和高于30rad/s的動(dòng)態(tài)響應(yīng); 

    (3)冷連軋機(jī):軋機(jī)功率2~6MW,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求最高,速度精度0.01%,動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到60rad/s。冷軋加工線傳動(dòng)的功率不大,一般小于2MVA,但系統(tǒng)性能指標(biāo)要求同冷連軋。

    4 軋機(jī)工藝對(duì)通訊的要求

    過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(馬達(dá))與控制器(PLC)之間信息互訪要求,以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信通用性的要求,促進(jìn)了各個(gè)相互兼容適用的標(biāo)準(zhǔn)、串行、開(kāi)放、雙向的多站數(shù)字實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的發(fā)展,產(chǎn)生了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。從本質(zhì)上說(shuō),現(xiàn)場(chǎng)總線是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線連接自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備,網(wǎng)線上傳輸?shù)闹饕菣z測(cè)信息、狀態(tài)信息、控制信息等,傳輸信息量小,但要求可靠性高,實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
      
     變頻器在寶鋼的應(yīng)用

    1 TIMEIC/三菱電機(jī)/東芝的變頻器在寶鋼的應(yīng)用情況

    TIMEIC/三菱電機(jī)/東芝的變頻器在寶鋼的應(yīng)用情況,如表1所示。

    表1  TIMEC/三菱電機(jī)/東芝變頻器在寶鋼應(yīng)用


    2 西門子變頻器在寶鋼的應(yīng)用情況

    西門子變頻器在寶鋼的應(yīng)用情況,如表2所示。

    表2  西門子變頻器在寶鋼應(yīng)用

    3 變頻器在寶鋼熱軋的應(yīng)用

   圖3 變頻器在熱軋的應(yīng)用
 
    以1780熱連軋為例,由圖3可知:

    (1)采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),全部為交流變頻調(diào)速系統(tǒng),其中主傳動(dòng)為交流同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)(粗軋7800kW、精軋8000kW),驅(qū)動(dòng)裝置采用三菱電機(jī)的MELVEC-3000型變頻器。該裝置為電壓型交流變頻裝置,主回路采用大功率的自關(guān)斷型器件—GCT(Gate commutated Turn-off Thyristor),元件容量6kA/6kV,逆變器******輸出功率60Hz。由于單個(gè)元件的容量較大,整個(gè)裝置采用純水冷卻,變頻器在熱軋的應(yīng)用如圖3所示;

    (2) 在調(diào)試及試運(yùn)行期間,曾經(jīng)發(fā)生25次以上電壓畸變率大于10%的情況,主要采取的措施:

    將相鄰兩臺(tái)變頻器的調(diào)制相位錯(cuò)開(kāi);

    由于35kV電源上已有另外2個(gè)用戶存在不同程度的電壓畸變,再與本廠高次諧波疊加(向量和),將使電壓畸變率增至很大,經(jīng)分析進(jìn)行負(fù)荷重新調(diào)整,將熱軋供電與上述2個(gè)用戶分開(kāi)。

    通過(guò)以上措施,目前的電壓畸變率已在正常范圍之內(nèi)。1780熱軋自2003年12月熱負(fù)荷試車以來(lái),曾發(fā)生兩次故障,一次是精軋F(tuán)4逆變器元件損壞,經(jīng)分析是單元裝配時(shí)控制板沒(méi)有壓接好,造成接觸不良,另一次是飛剪整流側(cè)元件損壞,原因是電源進(jìn)線處有短路痕跡。該裝置投產(chǎn)以來(lái)基本運(yùn)行情況良好,平均功率因數(shù)保持在0.98,電源側(cè)的電壓畸變率,諧波29、31次小于4%。

    (3) 熱軋變頻器選擇

    在設(shè)計(jì)階段注意變頻器和馬達(dá)參數(shù)的正確匹配,熱軋變頻器選擇如表3所示。
 
    表3   熱軋變頻器選擇

 4 變頻器在冷軋的應(yīng)用

   圖4 五冷軋酸軋變頻器應(yīng)用

    變頻器在冷軋的應(yīng)用如圖4所示。

    采用TDC控制器(工藝驅(qū)動(dòng)控制器)需與電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,它主要應(yīng)用在運(yùn)算工作量大,運(yùn)算速度快的場(chǎng)合,還有軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)

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